目前,随着全球能源的紧缺,优质环保的煤层气资源越来越受到世界各国的重视,多个国家都在不断加强煤层气资源的开发与利用。这不仅有利于煤矿资源安全开采和减轻煤炭和石油资源开采压力,还能创造巨大的经济效益,并贯彻科学发展观的资源开采策略。然而,欲高效而环保地开发煤层气则在很大程度上依赖于钻井技术的不断发展和突破,这以成为国内外煤层气专家的共识。作为21世纪钻井技术的发展趋势,激光钻井技术因其钻进效率高、控向性能好、配合气体钻进而不污染煤层、孔壁质量好等多项优势可望成为煤层气定向钻进领域的前沿创新技术。随着激光器本身性能与激光传输工艺技术的极大提高,激光钻井再次成为了国内外钻井技术研究领域的热点,其在砂岩、花岗岩破碎机理及相关理论方面的研究已经取得了较大进展,但在煤岩破碎方面还没查到相关文献资料。因此,为了促进激光钻井在煤层气钻井中应用的进程,有必要对激光钻井破碎煤岩的机理进行系统研究。基于此,本文从煤岩钻井破碎作用机理及其实验装置两方面进行研究,为后续的煤层气激光定向钻进的应用研究奠定基础。本文在分析国内外研究现状的基础之上,首先从理论方面对激光钻井破碎煤岩的机理进行了深入分析,分析了其物理化学作用过程并建立了相应的激光破碎煤岩的数学模型;然后利用不同功率的激光器对煤岩进行破碎实验,仔细观察其实验现象,对实验现象和数据进行了研究;最后从机械结构、液压系统、气体循环系统、控制系统软硬件等方面设计了智能化和自动化程度非常高的激光破碎煤岩的专用实验装置。首先,结合现有激光破岩理论与煤岩本身的特殊物理化学性质,从激光的特性、煤岩的性质、外部环境影响三个主要方面,理论上分析出激光破碎煤岩机理,重点研究了辅助循环气体为空气和氮气的情况下,激光破碎煤岩的物理化学反应过程,并建立其热平衡数学模型和温度场数学模型。分析得出激光破碎煤岩作用机理理论上的结论有:(1)激光平均功率密度越大,激光破碎煤岩效率越高;(2)脉冲激光比连续激光的钻井破岩效果好;(3)激光破碎煤岩从易到难依次是无烟煤、褐煤、烟煤;(4)空气循环比氮气循环,激光钻井破碎煤岩效率要高;(5)围压增大,激光破碎煤岩效率降低。接着,依据理论上的激光破碎煤岩机理以及现有实验条件,设计并进行了激光破碎煤岩的基础实验,包括激光照射时间实验、离焦量实验和正交实验(前两个实验用于确定最后正交实验中的变量取值),观察并分析了实验中煤岩破碎面、辅助气体、激光照射时间、激光平均功率密度对于激光钻井破碎煤岩的影响,结果基本符合激光破碎煤岩机理理论分析,并得到以下结论:(1)在空气辅助过程中,煤岩岩屑燃烧不充分;(2)煤岩层理面钻进效率比节理面稍高,但是并不明显;(3)对于辅助气体而言,其钻井效率并不能简单以钻孔进尺作为判断依据,空气钻进和氮气钻进各具优势。最后,为了后续更好地进行激光钻井破碎煤岩的系列实验,设计了激光破碎煤岩专用实验装置。该装置主要由实验平台及其相关辅助设备组成(辅助设备主要包括冷却器和激光器,而激光器包括激光器发生器和激光器处理组件)。本文主要针对激光钻井破碎煤岩实验平台进行具体设计,该实验平台包括机械系统和控制系统两大部分。其机械系统结构主要包括激光轨迹控制系统、液压系统和气体循环系统三部分。激光轨迹控制系统用于控制激光发射器XYZ三方向的移动,液压系统用于施加围压,气体循环系统用于辅助气体排除岩屑并收集实验后气体。其控制系统又分为控制系统硬件和控制系统软件。硬件主要由数据采集卡、信号输入模块、执行部件驱动模块和电源模块组成以实现按钮信号输入、执行部件驱动和数据通讯的功能。执行部件驱动模块包括指示灯控制、XYZ步进电机控制、液压回路控制、气路控制、激光线路控制。软件采用VC++编程实现,可读写、存储为CNC格式和TXT格式的文件,具体功能包括:下位机通讯、文件操作、运动控制、激光轨迹绘制。综上所述,本文从理论分析、实际实验、实验装置等方面对激光钻井破碎煤岩的机理及其实验装置进行了系统研究,其理论研究结果为后续的煤层气定向钻进应用研究奠定了理论基础,所设计的实验装置可用于激光破碎煤岩或者其它岩石的系列破碎实验。